(57)【要約】パーソナルモビリティデバイスが、フレームと、該フレームに取り付けられた複数の車輪と、一つ以上の空気圧モーターを含む。前記一つ以上の空気圧モーターそれぞれは、前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続された駆動軸を有する。前記パーソナルモビリティデバイスは、加圧ガスを貯蔵するための少なくとも一つのタンク（すなわち、貯蔵容器）であって、前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続されて加圧ガスを前記一つ以上の空気圧モーターに供給するタンクと、前記少なくとも一つのタンク及び前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続された制御システムとをさらに含む。【選択図】図４Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、
前記フレームに取り付けられた複数の車輪と、
一つ以上の空気圧モーターであって、該一つ以上の空気圧モーターのそれぞれは、前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続された駆動軸を有する、空気圧モーターと、
加圧ガスを貯蔵するための少なくとも一つのタンクであって、前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続されて加圧ガスを前記一つ以上の空気圧モーターに供給する、タンクと、
前記少なくとも一つのタンク及び前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続された制御システムと、を備え、
前記一つ以上の空気圧モーターの最大の累積トルクが、少なくとも１６Ｎｍである、パーソナルモビリティデバイス。
【請求項２】
前記一つ以上の空気圧モーターの前記最大の累積トルクが、少なくとも３２Ｎｍである、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項３】
前記一つ以上の空気圧モーターの前記最大の累積トルクが、少なくとも６４Ｎｍである、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項４】
少なくとも１７．２ＭＰａの圧力を有する前記加圧ガスを貯蔵するための複数のタンクをさらに備え、前記タンクは、前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続されている、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項５】
前記複数のタンクが直列に接続されている、請求項４に記載のモビリティデバイス。
【請求項６】
前記複数のタンクが、少なくとも２７．６ＭＰａの圧力にて前記加圧ガスを貯蔵する、請求項４に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項７】
前記複数のタンクが、少なくとも３１ＭＰａの圧力にて前記加圧ガスを貯蔵する、請求項４に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項８】
前記一つ以上の空気圧モーターにおける前記駆動軸の最大回転速度が、２０００ｒｐｍ未満である、請求項１乃至７いずれか１項に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項９】
前記一つ以上の空気圧モーターにおける前記駆動軸の最大回転速度が、１０００ｒｐｍ未満である、請求項１乃至７いずれか１項に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１０】
前記一つ以上の空気圧モーターにおける前記駆動軸の最大回転速度が、６００ｒｐｍ未満である、請求項１乃至７いずれか１項に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１１】
前記一つ以上の空気圧モーターのうち少なくとも一つが、２：１〜１：２の範囲の変換率を有する歯車システム又は滑車システムを介して前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続されている、請求項８に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１２】
前記一つ以上の空気圧モーターのうち少なくとも一つが、１．５：１．０〜１．０：１．５の範囲の変換率を有する歯車システム又は滑車システムを介して前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続されている、請求項８に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１３】
前記一つ以上の空気圧モーターのうち少なくとも一つは、第１歯車を介して前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続され、該第１歯車は、前記一つ以上の空気圧モーターのうち少なくとも一つの前記駆動軸に作動的に接続されており且つ前記複数の車輪のうち少なくとも一つが周りを回転する車軸に作動的に接続された第２歯車を有する、請求項１２に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１４】
前記第２歯車が、差動システムに作動的に接続されている、請求項１３に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１５】
前記差動システムが、差動制限システムである、請求項１４に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１６】
前記一つ以上の空気圧モーターのうち少なくとも一つの前記駆動軸が、前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続され、それによって前記複数の車輪のうち少なくとも一つを直接駆動する、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１７】
前記複数の車輪のうち少なくとも一つが、前記フレームの後部に配置されている、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１８】
前記パーソナルモビリティデバイスが、車椅子又はスクーターである、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項１９】
前記パーソナルモビリティデバイスが、動力アシスト車椅子であり、前記複数の車輪のうち少なくとも一つが、手動動力の下でさらに動力供給可能になっている、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項２０】
前記制御システムが、作動可能なバルブ制御部を備え、該バルブ制御部は、加速度閾値又は傾斜閾値の少なくとも一つによって作動され、前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続されている、請求項１９に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項２１】
前記制御システムが方向制御バルブを備える、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項２２】
前記一つ以上の空気圧モーターに供給される加圧ガスの作動圧力が、０．３４ＭＰａ（５０ｐｓｉ）〜１．０３ＭＰａ（１５０ｐｓｉ）の範囲である、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項２３】
前記一つ以上の空気圧モーターに供給される加圧ガスの作動圧力が、０．６２ＭＰａ（９０ｐｓｉ）〜０．８３ＭＰａ（１２０ｐｓｉ）の範囲である、請求項１に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項２４】
前記一つ以上の空気圧モーターそれぞれが、ロータリーピストン空気圧モーターである、請求項１乃至７いずれか１項に記載のパーソナルモビリティデバイス。
【請求項２５】
フレームと該フレームに取り付けられた複数の車輪とを含むパーソナルモビリティデバイスに、動力駆動を提供する方法であって、
一つ以上の空気圧モーターを提供するステップであって、該一つ以上の空気圧モーターのそれぞれは、前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続された駆動軸を有する、ステップと、
加圧ガスを貯蔵するための少なくとも一つのタンクを提供するステップであって、該タンクは、前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続されて加圧ガスを前記一つ以上の空気圧モーターに供給する、ステップと、
前記少なくとも一つのタンクと前記一つ以上の空気圧モーターとに作動的に接続された制御システムを提供するステップであって、前記一つ以上の空気圧モーターの最大の累積トルクが、少なくとも１６Ｎｍである、ステップとを備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の関与
本発明は、アメリカ国立科学財団によって与えられた認可番号１１４４５８４及びアメリカ合衆国退役軍人省によって与えられた認可番号Ｂ９２５０Ｃに基づく政府支援によってなされたものである。該政府は、本発明の諸権利を有する。
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１月４日に出願された米国仮特許出願第６２／２７４，５５６号の利益を主張し、本出願の開示は参照によって本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
以下の情報は、下記の技術及びこのような技術が典型的に使用され得る環境を理解することにおいて読者を助けるために提供される。本明細書で使用される用語は、本文書において明確に別段の記載がない限り、任意の特定の狭義な解釈へ限定することを意図するものではない。本明細書に記載される参照は、本明細書の技術又はその背景の理解を促し得る。本明細書にて引用される全ての参照の開示は、参照によって組み込まれる。
【０００４】
車椅子やスクーターのようなパーソナルモビリティデバイスは、運動障害のある人々にとって非常に有益である。本明細書において使用されるように、「モビリティデバイス」という用語は、人（典型的には単独の人）を運ぶためのデバイスであって、それによって人の移動性を向上させるデバイスに言及する。モビリティデバイスは、手動で動力供給されてもよく、少なくとも一部が非手動の動力源を介して動力供給されてもよい。現在利用可能なパワーモビリティデバイス（power mobility device、ＰＭＤ）は、非効率的であり、重く、保全が厳密であり、環境の影響を受け易く、環境を破壊し、（例えば、自動車又は航空機の中での）運搬が困難であるという傾向がある。電動ＰＭＤは、電池（多くは鉛蓄電池）に依存し、このような電池は、有害である可能性があり、コストを増加させ且つリサイクルが困難である。電池は、ハイブリッドカー及び電気自動車並びにＰＭＤにおいて広く使用されてはいるが、ＰＭＤへの使用のためには、電池技術は依然として高価であり安全性に多くの問題がある（例えば、火災、電気ショック、電磁干渉、高温による火傷、ガス放出及びその他の電気／動力異常の状態）。ＰＭＤ用に、新たな動力源、動力管理システム及びドライブトレインが必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様では、パーソナルモビリティデバイスは、フレームと、該フレームに取り付けられた複数の車輪と、一つ以上の空気圧モーターとを含む。前記一つ以上の空気圧モーターのそれぞれは、前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続された駆動軸を有する。前記パーソナルモビリティデバイスは、加圧ガスを貯蔵するための少なくとも一つのタンク（すなわち、貯蔵容器）であって、前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続されて加圧ガスを前記一つ以上の空気圧モーターに供給するタンクと、前記少なくとも一つのタンク及び前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続された制御システムとをさらに含む。前記制御システムは、例えば、方向制御バルブを含んでいてもよい。前記一つ以上の空気圧モーターの最大の累積トルク（a cumulative maximum torque）は、少なくとも１６Ｎｍ、少なくとも２４Ｎｍ、少なくとも３２Ｎｍ又は少なくとも６４Ｎｍである。前記パーソナルモビリティデバイスは、前記加圧ガスを貯蔵するための一つ又は複数のタンクを含んでいてもよく、該加圧ガスは、少なくとも１７．２ＭＰａ、少なくとも２７．６ＭＰａ又は少なくとも３１ＭＰａの圧力を有し、前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続されている。前記パーソナルモビリティデバイスが、複数のタンクを含む場合、前記複数のタンクは、例えば、直列に接続されていてもよい。
【０００６】
本明細書で使用されるように、「車輪」という用語は、表面に接触し、前記パーソナルモビリティデバイスの動きを提供する任意のモビリティデバイスを含む。このようなモビリティデバイスは、典型的には、車輪又は無限軌道のような回転部材である。
【０００７】
多数の実施形態では、前記一つ以上の空気圧モーターそれぞれにおける前記駆動軸の最大回転速度は、２０００ｒｐｍ未満、１０００ｒｐｍ未満又は６００ｒｐｍ未満である。多数の実施形態では、前記一つ以上の空気圧モーターのうち少なくとも一つは、歯車システム又は滑車システムを介して前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続されており、該歯車システム又は該滑車システムは、２：１〜１：２の範囲又は１．５：１．０〜１．０：１．５の範囲の変換率を有する。
【０００８】
多数の実施形態では、前記一つ以上の空気圧モーターのうち少なくとも一つは、前記一つ以上の空気圧モーターのうち少なくとも一つにおける前記駆動軸に作動的に接続された第１歯車、及び、前記複数の車輪のうち少なくとも一つが周りを回転する車軸に作動的に接続された第２歯車を介して、前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続されている。前記第２歯車は、例えば、差動システムに作動的に接続されていてもよい。前記差動システムは、例えば、差動制限システムであってもよい。
【０００９】
多数の実施形態における、前記一つ以上の空気圧モーターの少なくとも一つにおける前記駆動軸は、前記複数の車輪の少なくとも一つに作動的に接続されていてもよく、それによって前記複数の車輪の少なくとも一つを直接駆動する。
【００１０】
多数の実施形態では、前記複数の車輪の少なくとも一つは、前記フレームの後部に配置されている。多数の実施形態では、前記パーソナルモビリティデバイスは、車椅子又はスクーターである。前記パーソナルモビリティデバイスは、例えば、動力アシスト車椅子であってもよく、前記複数の車輪の少なくとも一つは、手動動力の下でさらに動力供給可能（すなわち、動力が供給され得る）であってもよい。前記制御システムは、例えば、作動可能なバルブ制御部を含んでいてもよく、該バルブ制御部は、前記複数の車輪の少なくとも一つに作動的に接続されており、加速度閾値又は傾斜閾値の少なくとも一つによって起動される。
【００１１】
多数の実施形態では、前記一つ以上の空気圧モーターに供給される加圧ガスの作動圧力は、０．３４ＭＰａ（５０ｐｓｉ）〜１．０３ＭＰａ（１５０ｐｓｉ）の範囲、又は、０．６２ＭＰａ（９０ｐｓｉ）〜０．８３ＭＰａ（１２０ｐｓｉ）の範囲である。多数の実施形態では、前記一つ以上の空気圧モーターそれぞれは、ロータリーピストン空気圧モーターである。
【００１２】
別の態様では、フレームと該フレームに取り付けられた複数の車輪とを含むパーソナルモビリティデバイスに動力駆動を提供する方法であって、該方法は、
一つ以上の空気圧モーターを提供するステップであって、該一つ以上の空気圧モーターのそれぞれは、前記複数の車輪のうち少なくとも一つに作動的に接続された駆動軸を有する、ステップと、
加圧ガスを貯蔵するための少なくとも一つのタンクを提供するステップであって、該タンクは、前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続されて加圧ガスを前記一つ以上の空気圧モーターに供給する、ステップと、
前記少なくとも一つのタンク及び前記一つ以上の空気圧モーターに作動的に接続された制御システムを提供するステップであって、前記一つ以上の空気圧モーターの最大の累積トルクが、少なくとも１６Ｎｍ、少なくとも２４Ｎｍ、少なくとも３２Ｎｍ又は少なくとも６４Ｎｍである、ステップと、を含む。前記パーソナルモビリティデバイスの要素は、例えば上述のように、さらに定義されたものであってもよい。
【００１３】
本デバイス、システム及び方法は、その特性及びそれに付随する利点と共に、以下の添付の図面を併せた詳細な説明を考慮することによって最も良く理解され把握されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る動力モビリティデバイスの空気圧駆動システムの斜視図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の三輪型の実施形態に係る動力モビリティデバイスの後方区画における上面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａにおける三輪型の実施形態に係る動力モビリティデバイスの後方区画における斜視図を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の四輪型の実施形態に係る動力モビリティデバイスの後方区画における斜視図を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、トルク１６００Ｎｃｍにて回転するロータリーピストン式空気圧モーターを含む図２Ａ及び図２Ｂにおける動力モビリティデバイスのいくつかの構成について、速度の関数としての推定された範囲のグラフを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、トルク３２００Ｎｃｍにて回転するロータリーピストン式空気圧モーターを含む図２Ｃにおける動力モビリティデバイスのいくつかの構成について、速度の関数としての推定された範囲のグラフを示す。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の動力モビリティデバイスの別の実施形態についてのフレームの一実施形態の斜視図を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａにおけるフレームを含む本発明の動力モビリティデバイスの斜視図を示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂにおける動力モビリティデバイスの分解斜視図を示す。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ｂにおける動力モビリティデバイスの制御システムのステアリングインターフェース及びユーザインターフェースの斜視図を示す。
【図４Ｅ】図４Ｅは、図４Ｂにおける動力モビリティデバイスのステアリングインターフェースの斜視図を示し、ユーザインターフェースのカバーが、制御システムのバルブを示すために除去されている。
【図５】図５は、本発明の動力モビリティデバイスの別の実施形態の斜視図を示し、ここでは手動車椅子が本発明の空気圧駆動システムを用いて改造されている。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の動力アシストモビリティデバイスの一実施形態の後部斜視図を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、空気圧駆動システムが動力アシストモビリティデバイスの接続から外された、図６Ａにおける動力アシストモビリティデバイスの別の後部斜視図を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ａにおける動力アシストモビリティデバイスの空気圧駆動システムの斜視図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、（例えば、ウォーターパーク又はプールにおける使用に適用可能な）動力モビリティデバイスの別の実施形態の斜視図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７ＡにおけるＰＭＤの部分分解斜視図を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７ＡにおけるＰＭＤの下部分の斜視図を示し、例えば、ＰＭＤの加圧ガスタンク及び空気圧モーターを示すために、格納モジュールの上側区画が除去されている。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本デバイス、システム及び方法は、その特性及びそれに付随する利点と共に、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明を考慮することによって最も良く理解され把握されることとなる。
【００１６】
本明細書の図において概して説明され示されるように、本実施形態の構成要素は、例示された実施形態に加えて種々異なる構成において配され且つ設計されてもよい。従って、図に示されるように、例示の実施形態の以下の詳細な説明において、実施形態の範囲を限定する意図はなく、主張されるように、単に代表例としての実施形態である。
【００１７】
本明細書を通して「ある実施形態」又は「一実施形態」（又はこれに類するもの）に関する参照は、該実施形態との関連で説明される特定の特徴、構造又は特性が、少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書を通した種々の場所における語句「ある実施形態において」又は「一実施形態において」又はこれに類する語句の出現は、必ずしも同じ実施形態についての全ての参照ではない。
【００１８】
さらに、説明される特徴、構造又は特性は、一つ以上の実施形態に任意の好適な方法で結合され得る。以下の説明において、実施形態を完全に理解するために数多くの特定の詳細が提供される。しかしながら、関連技術の当業者は、一つ以上の特定の詳細なしに、又は、他の方法、構成要素、材料等を用いて、種々の実施形態が実行され得ることを認識することとなる。その他の例では、不明瞭になることを避けるために、公知の構造、材料又はオペレーションが、詳細には示されず又は説明されていない。
【００１９】
本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数系「一つ」、「一つの」及び「その」は、文脈が別段明確に指示していない限り、複数としての言及を含む。従って、例えば、「空気圧モーター」についての参照は、当業者にとって既知である一つ以上のこのような空気圧モーター及びその等価物についての参照であり、同じように、「前記空気圧モーター」への参照は、当業者にとって既知である一つ以上のこのような空気圧モーター及びその等価物についての参照であり、その他も同様である。本明細書における数値範囲の列挙は、該範囲内に入る各分離した値に対して個別に言及することの簡単な方法として用いられるものとして単に意図される。本明細書において別段示されていない限り、各個々の値及び中間範囲は、本明細書において個別に列挙されたように、本明細書に包含される。本明細書において示される全ての方法は、本明細書において別段示されていない限り、又は、文脈において明らかに禁忌されている場合を除き、任意の適用可能な順序で実行され得る。
【００２０】
地域社会に暮らすＰＭＤユーザ及び施設に居住するＰＭＤユーザの双方の多くは、典型的には、１日の間の距離移動が短く、多くの移動は屋内におけるものである。ＰＭＤユーザは、多くの場合、遠くに移動せず、屋内にあるモビリティを充填ステーション（例えば、家、職場、学校、診療所、小売店）にたいていはアクセスさせることができるため、ＰＭＤのための動力源のエネルギー密度は、車又はその他の乗り物に伴う問題に比べてさほど問題ではない。多数の実施形態において、本発明におけるＰＭＤは、高圧の空気圧動力駆動システムを含む。本明細書において使用されるように、「空気圧」という用語は、加圧下の空気又はその他のガスによって作動するシステムについて言及する。例えば、比較的低コストであるが効率的なロータリーピストン空気モーター及びポータブル高圧空気シリンダが、本発明におけるＰＭＤに係る多数の実施形態に使用され、ＰＭＤ用に加圧ガス（例えば、空気）が実行可能に電力を代替する。
【００２１】
空気圧駆動システムは、ＰＭＤにおいて、電気／電池による動力駆動システムよりも多くの利点を提供する。例えば、空気圧駆動システムは、比較的迅速で且つ制限されない充電を提供する。例えば、空気圧駆動システムは、単一の若しくは一組の高圧空気（ＨＰＡ）タンク又は他の高圧流体タンクを含み、前記システムを１〜１０分で充填することを可能にし、一方で、電動による乗り物では、その電池のために５〜８時間の充電時間を要する。空気圧駆動システムの短い充填時間によって、空気圧動力による乗り物は、ほぼ連続的に使用することができる。さらに、高圧空気（又はその他のガス）タンクを充填するための多くの供給源があり、該供給源には、以下に限定されないが、スポーツグッズストア、スキューバダイビングショップ、消防署などが含まれる。充電可能な寿命が比較的短くなることが多い充電池とは異なり、高圧ガスタンクは、性能劣化することなく繰り返し充填され得る。
【００２２】
空気圧駆動システムは、電気／電池動力システムと比較して、重量が大幅に低減される。電池、電気モーター及び制御のための電子装置を含む従来の電気駆動システムは、典型的には、ＰＭＤを４００ポンド以上重くする。該電気駆動システムを空気圧駆動システムに置き換えることによって、乗り物の重量が大幅に低減され得る。
【００２３】
図１は、ＰＭＤ１０について、空気圧駆動システムの代表的な実施形態を示し、ＰＭＤ１０は、ＰＭＤ１０のフレーム３０に支持された単一の又は一組の加圧流体タンク２０を含む。上述のように、加圧流体タンク２０は、加圧空気タンクであってもよい。しかしながら、他の圧縮ガス又は加圧ガスが用いられてもよい。さらに、液化ガスが、膨張室を介した推進のために用いられてもよい。本明細書で使用されるように、「加圧ガス」という用語は、圧縮ガス及び液化ガスの両方を含む。ＰＭＤ１０の駆動システムは、一つ以上の駆動輪５０、制御システム６０（例えば、一つ以上の制御バルブを含んでもよい）及び連結管７０に作動的に接続された空気圧動力モーター４０をさらに含む。図１の実施形態では、ＰＭＤ１０は、その後部に単一の駆動輪５０及びその前部に二つの非駆動輪５５を含む。このような構成は、逆タッドポール（reverse tadpole）構造又は設計と呼ばれることもある。
【００２４】
図２Ａ〜図２Ｃは、空気圧システムが装着されることによって製造されたＰＭＤ１００（図２Ａ及び図２Ｂ）及びＰＭＤ１００’（図２Ｃ）の実施形態を示し、該空気圧システムは、制御システムを含み、該制御システムは、方向制御バルブ及び流量制御バルブ、ラインチューブ１３０、並びに、電気モビリティスクーターのフレーム１０２中に又はフレーム１０２上に空気圧モーター１４０を含む（図２Ｃ参照）。図２Ａ〜図２Ｃにおける類似の要素には、同じ符号が付されている。二つの電池、電気モーター、コンピュータ及び電気配線を含む各スクーターにおける元の電気システムは、最初に取り除かれている。方向制御バルブは、デバイス１００及び１００’を前方又は後方に駆動させることを可能にするとともに、流量制御バルブは、空気圧モーター１４０への空気流量を規制／制御することによる速度制御部として作動する。このような制御コンポーネントは、図４Ａ〜図４Ｅにおけるデバイス２００に関して、以下においてさらに論じられる。フレーム１０２は、三輪型ＰＭＤ１００及び四輪型ＰＭＤ１００’において同一とした。ＰＭＤ１００及びＰＭＤ１００’では、空気圧モーター１４０が、プレート１５０に搭載され、プレート１５０は、デバイス１００及び１００’におけるフレーム１０２の後方端部に搭載され、空気圧モーター１４０は、例えば、種々の空気圧モーターを検討するために、比較的容易に置き換えることができた。ＰＭＤ／デバイス１００’では、スプロケット１６０を、モーター１４０における出力軸又は駆動軸の端部に固定し、スプロケット１６０を該出力軸又は該駆動軸の周りに回転させた。スプロケット又は歯車１６０を、駆動チェーン１６２を介してＰＭＤ１００’における後車軸上の差動システム１７０（例えば、差動制限システム）の歯車又はスプロケット１７２に動作可能に接続した。モーター１４０の配置を、プレート１５０に沿って調整した。モーター１４０を、チェーン１６２が最適な運転のために適切な量だけ締め付けられるように、移動可能に搭載した。
【００２５】
後車軸１０７において、モーター１４０と差動システム１７０との間で使用された歯車比は、調節可能とした。いくつかの検討された実施形態では、ＰＭＤ１００’における差動システム１７０のスプロケット又は歯車１７２は、３６個の歯を有し、本発明の検討においては変更しなかった。これら三つの異なるスプロケット１６０は、モーター１４０の出力軸又は駆動軸に取り外し可能に搭載された。検討されたスプロケット１６０には、３０、３６及び４３個の歯が含まれていた。スプロケット１６０及び１７２は、モーター１４０と差動システム１７０との間においてそれぞれ１：１．２、１：１及び１．２：１の歯車比が提供されるように選択された。二つの異なるチューブの径が、ラインチューブ１３０について検討された。チューブ径は、それぞれ６．３５ｍｍ（０．２５ｉｎｃｈ）及び９．５３ｍｍ（０．３７５ｉｎｃｈ）であった。
【００２６】
その結果、四輪型ＰＭＤ１００の実施形態では、元の電気駆動システムを、モーター１４０及び差動システム１７０に置き換え、それによって後輪１０８に作動的に接続された軸１０７を駆動した。三輪型ＰＭＤ１００では、単一の後輪１０８を、空気圧モーター１４０の出力軸に直接搭載し、差動システムは含ませなかった。
【００２７】
二つの異なる大きさの空気圧ラジアルピストンモーターが、本発明の検討において試験された。すなわち、ＢＩＢＵＳ（登録商標）Ｅａｓｙ  Ｄｒｉｖｅ  ＰＭＯ１８００（スイス、フェーラルトルフのＢｉｂｕｓ社から入手可能な空気圧ラジアルピストンモーターであり、１６００Ｎｃｍ又は１６Ｎｍの定格最大トルクを有する）及びＢＩＢＵＳ  ＥａｓｙＤｒｉｖｅ  ＰＭＯ３６００（Ｂｉｂｕｓ社から入手可能な空気圧ラジアルピストンモーターであり、負荷時において３２００Ｎｃｍ又は３２Ｎｍの定格最大トルクを有する）。ＰＭＯ３６００型は、ＰＭＯ１８００型の約２倍の総トルクを出力することができ、また、ＰＭＯ１８００型は、半分の出力速度になる。行われた各試験について、速度は、Ｍｉｔｕｔｏｙｏ社製ＰＨ−２００ＬＣタコメーターを用いて測定され、空気流量は、ＳＭＣ社製ＰＦＭＢ７５０１−ＮＯ４−Ａデジタルフロースイッチによって測定された。
【００２８】
多数の実施形態において、パーソナルモビリティデバイスのニュートン（Ｎ）としての定格荷重を、該デバイスにおける（一つ以上の）空気圧モーターのＮｍ（歯車部又は変速部なしで）としての最大の累積トルクで割ったものに相当する値又は比率は、５５．６以下である。例えば、ＰＭＤの重量が７５６Ｎ（１７０ポンド）であり且つ１０２３１Ｎ（２３０ポンド）以下の人に使用されるように定格されている場合、ＰＤＳの最大定格荷重は、１７７９Ｎ（４００ポンド、すなわち、該デバイスの重量＋乗員の最大重量）である。このようなデバイスでは、（一つ以上の）該モーターの最大の累積トルクは、少なくとも３２Ｎｍである。該最大の累積トルクは、例えば、最大トルク３２Ｎｍの単一の空気圧モーターによって提供されてもよく、それぞれが最大トルク１６Ｎｍを有する二つの空気圧モーターなどによって提供されてもよい。５５．６の値又は比率は、障害を持つアメリカ人法（the Americans with Disabilities Act又はADA）の要件に適合する表面上の移動に基づいている。草の表面やビーチの表面のようなＡＤＡに適合しない表面上の移動の場合、パーソナルモビリティデバイスのニュートン（Ｎ）としての定格荷重を、該デバイスにおける（一つ以上の）空気圧モーターのＮｍにおける最大の累積トルクによって割ったものに相当する値又は比率は、２７．８以下である。多数の実施形態では、本発明における空気圧モーターの最大の累積トルク（歯車部又は変速部なし）は、少なくとも１６Ｎｍ、少なくとも２４Ｎｍ、少なくとも３２Ｎｍ、少なくとも４８Ｎｍ、少なくとも６４Ｎｍ又は少なくとも８０Ｎｍである。１６Ｎｍの累積トルクは、例えば、小柄なユーザ又は小児ユーザによって使用されるＰＭＤに用いられ得る。
【００２９】
多数の実施形態では、本発明における空気圧モーターは、回転出力軸又は駆動軸を含む。該出力軸又は該駆動軸は、本発明におけるデバイスの車輪に直接接続されていてもよく、中間機構を通して接続されていてもよく、該中間機構は、例えば、歯車システム又は滑車システムである。本明細書における空気圧モーターの多数の実施形態では、該出力軸又は該駆動軸は、２０００ｒｐｍ以下、１０００ｒｐｍ以下、６００ｒｐｍ以下又は４００ｒｐｍ以下の（本明細書における作動圧力範囲において且つ歯車部又は変速部なしで）最大回転速度を有する。
【００３０】
試験は、上述のチューブ径が６．３５ｍｍ及び９．５３ｍｍの空気ラインチューブ、上述の歯車比１：１、１：１．２及び１．２：１を用いて、作動圧力０．６２１ＭＰａ（６．２１ｂａｒ；９０ポンド毎平方インチ又はｐｓｉ）及び０．８２７ＭＰａ（８．２７ｂａｒ又は１２０ｐｓｉ）にて行われた。ＰＭＯ１８００モーター及びＰＭＯ３６００モーター両方の技術仕様は、例えば、Ｂｉｂｕｓ社から入手可能であるPneumatic Radial Piston Motor, BG-002-08, Luftmotorenkatalog, V10, indd 4 (2008)に記載されており、その開示は参照によって本明細書に組み込まれる。モーター１４０の複数のピストンは、星型に配されており、ケーシングの曲面に沿ってスライドする。加圧ガス／空気は、フローティングピストン制御リング（floating piston control ring）を経由して、固定ピストン制御軸（fixed piston control shaft）を通り、モーター１４０の中央部から各羽板に供給され、これによって各ピストンが順に起動されることを可能にする。該空気によって、これらのピストンが筐体を押すようになり、それによって回転が生じる。加圧ガスとモーター１４０との間のチューブの径をより大きくすると、各ピストンへの空気流をより大きくすることができ、モーター１４０が回転することができる速度範囲を増加させる。作動圧力の増加は、モーター１４０の全ての性能を改善する。満たす必要がある基準に応じて、歯車比を調節することにより、出力トルク又は速度のいずれかを向上させることができる。
【００３１】
１．４４Ｌのタンクを備えた四輪型の試作型バージョン１を使用した予備試験を、種々のコンポーネント構成の範囲試験前に行い、それによって、該試作型が一定の空気量で合理的な距離を移動可能であるかを把握した。ＰＭＤ１００及びＰＭＤ１００’の両バージョンの試験を行い、それによって種々のコンポーネント構成及び種々の作動圧力を使用した理想的条件下で、該試作型が移動することができる範囲を計算した。試験は、典型的には、国際標準化機構における車椅子の疲労試験を用いたマルチドラム試験装置上で行った。例えば、Ｎａｓｈ，Ｍ．Ｓ．らによる「Power-assisted wheels ease energy costs and perceptual responses to wheelchair propulsion in persons with shoulder pain and spinal cord injury（動力アシスト車椅子は肩の痛み及び脊髄損傷がある人の車椅子推進に対するエネルギーコスト及び知覚反応を軽くする）」Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 2008. 89(11): p. 2080-2085参照のこと。１００ｋｇの試験ダミーを該試作型のシートに固定し、ユーザによる平坦で滑らかな表面上移動時の典型的なモビリティデバイスの使用をシミュレートした。上述のように、車椅子の速度は、タコメーター（Ｍｉｔｕｔｏｙｏ社製ＰＨ−２００ＬＣ）を使用することによって測定し、空気流量は、デジタルフローメーター（ＳＭＣ社製ＰＦＭＢ７５０１−Ｎ０４−Ａ）を使用することによって測定した。実験室における空気源からの定量供給を介して、一定の作動圧力０．６２１ＭＰａ及び０．８２７ＭＰａについて試験した。
【００３２】
予備試験では、四輪型ＰＭＤ１００’が、１．４４Ｌ空気タンク１６０によって８００ｍ移動したため、ＰＭＤにおける空気圧駆動システムは適切であることが示唆された。５７．７ｋｇの質量では、四輪型デバイス１００’の重量は、電気駆動システムが取り除かれる前の電気モビリティスクーターの重量よりも３１％軽かった。
【００３３】
一定圧力での試験手順は、ＰＭＤの車輪の所望の速度が得られるように流量制御バルブを調節することを含んでいた。ＰＭＤの車輪速度は、０．１ｍ／ｓから開始し、空気流量が２１０Ｌ／分（これは本検討において使用されたデジタルフロースイッチの限界値であった）又はＰＭＤが最大速度に達するまで、０．１ｍ／ｓずつ増加させた。各ＰＭＤの車輪速度における空気流量をデータ解析のためのスプレッドシートに入力した。単一のコンポーネント又はパラメータを変更し、前記試験手順を繰り返すことによって、異なる構成をそれぞれ作り出した。各コンポーネントによる構成について行われた試験の内訳が表１に示されている。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
推定移動範囲は、車輪直径２４．９４ｃｍ及び圧力３１０ｂａｒの９Ｌ高空気圧（ＨＰＡ）タンク（通常のスキューバタンクの容量）を備えたＰＭＤを使用して計算した。タンクの大きさ及び該タンクのためのＰＭＤ／デバイス上の制限されたスペースのために、二つのＨＰＡタンクを使用した推定された範囲の計算を選択した。推定された範囲は、異なるコンポーネントそれぞれの間で比較され、それによって目標とする移動速度における最大の移動範囲のための最適な構成を決定した。マルチドラム試験に加えて、試作型ＰＭＤが１００ｋｇのユーザの場合に１０°の傾斜を登ることができるかを決定するための試験を行った（ＡＮＳＩ／ＲＥＳＮＡの要件）。試験結果は、速度、空気消費及び圧力を測定しなかったので、成功又は失敗のいずれかとした。
【００３６】
デバイス１００及び１００’についての推定された範囲対速度が、ＰＭＯ１８００モーターについて図３Ａに、ＰＭＯ３６００モーターについて図３Ｂに示されている。１００ｋｇのユーザの場合の１０°の傾斜を登るデバイスの全ての試験は、試験２（表１）を除いて成功した。デバイス１００及び１００’の各構成を分析後、歯車比１：１．２、チューブ９．５３ｍｍ及び作動圧力０．８２７ＭＰａのＰＭＯ３６００モーターを備えた三輪型の構成のデバイス１００が、速度１．４ｍ／ｓ（平均的な人間の歩行速度）における移動時の最大範囲を提供した。しかしながら、最適化されていない三輪型の構成のＰＭＤ１００における動的安定性試験は失敗であった。このような設計のさらなる最適化（例えば、フレーム１０５などの変更）が、動的安定性を改善するために用いられ得た。しかしながら、ＰＭＤ１００の動的安定性試験の結果を受けて、四輪型のデバイス１００’をさらなる設計検討の基礎として用いた。
【００３７】
図４Ａ〜図４Ｃは、別のＰＭＤ／デバイス２００を示し、その設計の一部は、ＰＭＤ１００及び１００’の試験結果に基づいている。本明細書におけるＰＭＤの最高の設計基準は、例えば、１）１回の充填での移動範囲が５ｋｍよりも長く、２）同様の電気式ＰＭＤと比較して重量が２０％軽く、３）最大速度２．７ｍ／ｓであり、４）最大ユーザ質量１００ｋｇであり、５）互換性があるシートシステムを有し、そして、６）耐水性がある、ことを含んでいる。ＰＭＤ２００は、このような基準を考慮して設計された。ＰＭＤ２００は、特注の軽量フレームと、モジュール式前輪操舵機構とを含み、電子部品を含まない。
【００３８】
四輪型のモビリティスクーター、デバイス又はＰＭＤ２００は、特注のフレーム２１０を備えて設計され、フレーム２１０は、直径２５．４ｍｍ、壁の厚み１．６５ｍｍ、質量２ｋｇの６０６１−Ｔ６アルミチューブから製造された（図４Ａ）。組み立てられたＰＭＤ２００が図４Ｂに示されており、分解又は解体されたものの斜視図が図４Ｃに示されている。フレーム２１０は、その後端部に概してＵ字状のモーター支持部２１２を含む。後輪を駆動させるために、後端部にはモータープレート２４２を介してモーター２４０が取り付けられている。図４Ｂ及び図４Ｃに示されるように、フレーム２１０は、加圧ガス／空気タンク４００ａ及び４００ｂを、ある角度にて支持するためのｖ字状の複数のタンク支持部２１４をさらに含む。示された実施形態では、タンク搭載ブラケット２１５ａを含む支持パネル２１５が、タンク支持部２１４に作動的に接続されている。
【００３９】
操舵インターフェース又は操舵輪２９２を含むモジュール式操舵アセンブリ２９０が、フレーム２１０の前方区画２１６に取り付け可能になっている。モジュール式操舵アセンブリ２９０は、保全の簡易化を提供する。例えば、図４Ｄ及び図４Ｅに示されるように、制御システム２２０には、ＰＭＤ２００の駆動システムのオン／オフを変換するためにそこに作動的に接続されたスイッチ又はノブを有するオンオフバルブ２２１が含まれた。方向制御バルブ２２２は、方向制御バルブ２２２に作動的に接続された制御レバー２２２ａを有し、「変速レバー」として操作される。これによって、ユーザがデバイスを前方、後方又は駐車状態に位置させることが可能にした。流量制御バルブ２２４は、流量制御バルブ２２４に作動的に接続されたノブ２２４ａを有し、ＰＭＤ２００のための速度制御として操作され、モーター速度を制御するために、空気圧モーター２４０への空気流の比較的正確な制御を可能とした。制御システム２２０は、スロットルとして操作するために、制御システム２２０とともに作動的に制御されるレバーを有するバタフライバルブ２２６を含んでいた。ラインチューブ（図示されていない）が、タンク４００ａ、４００、４００ｃ、制御システム２００及び空気圧モーター１４０の間の接続を提供するために使用された。圧力を（一つ以上の）モーター２４０のための操作圧（例えば、多数の教示の実施形態における０．２ＭＰａ（２ｂａｒ又は２９ｐｓｉ）〜０．８ＭＰａ（８ｂａｒ又は１１６ｐｓｉ））まで低下させるために、タンク４００ａ、４００ｂ、４００ｃは、例えば、一つ以上のレギュレータ４０５を備えて提供されてもよい。
【００４０】
延伸部材３１０（図４Ｃ参照）を介してフレーム２１０に取り付けられた容易に取り外し可能なシートアセンブリ３００が、シートアセンブリ３００におけるシート３０４のベース３０２に取り付けられた。取り外し可能なシートアセンブリ３００は、複数のシートタイプをＰＭＤ２００内に容易に組み込むことを可能にする。
【００４１】
ＰＤＭ１００’と同様に、スプロケット又は歯車２６０は、モーター２４０における出力軸又は駆動軸の端部に固定され、出力軸又は駆動軸の周りに回転された。スプロケット又は歯車２６０（図４Ｃ参照）は、駆動チェーン２６２を介してＰＤＭ２００の後車軸上の差動システム２７０の歯車又はスプロケット２７２に作動的に接続された。差動システムの軸は、複数のピローブロックを介してフレーム２１０に搭載されており、軸帯の所定の位置に固定された。ＰＤＭ１００’に関して上述されたように、モーター２４０と差動システム２７０との間に使用される歯車比は、変更可能であった。
【００４２】
全てのタンクを一度に充填するために、容易にアクセス可能な充填口（図示されず）が、タンク４００ａ、タンク４００ｂ及びタンク４００ｃそれぞれに流動的に接続されて提供された。ＰＭＤ２００の総質量は、５９．４ｋｇであり、同等の電動スクーターよりも２８．４％軽かった。
【００４３】
ＰＭＤ２００の範囲試験は、ＩＳＯ標準７１７６において示されるように、屋内の長方形のトラックの周りでＰＭＤ２００を駆動することによって行なった。試験は、速度１．３５ｍ／ｓにてＰＤＭ２００を移動させることによって開始され、一旦速度を０．５ｍ／ｓを下回るまで低下させて停止させた。デバイス２００を時計回り又は反時計回りのいずれかでトラックの周りを５周駆動させた。次に、別の５周では移動方向を逆にした。このプロセスを最小閾値速度に達するまで繰り返した。三つの異なる試験構成を試験した。各構成について３回試験し、平均を計算した。異なる試験構成は、一つの９Ｌタンク（スキューバにおいて使用される標準サイズ）、二つの９Ｌタンク（全部で１８Ｌ）、及び膨張室として１．４４Ｌタンクを追加的に備えた二つの９Ｌタンク（ペイントボールにおいて使用される標準的サイズのタンク、全部で１９．４４Ｌ）を含む。ＰＭＤ２００の傾斜を登る能力は、二つの条件下で試験した、すなわち、（１）速度１．３５ｍ／ｓにて１０°の傾斜に近づくこと、及び、（２）傾斜の底の停止位置からスタートすることである。試験をパスするために、試作型の速度は、傾斜を１０ｍ登って移動した後に最小０．５ｍ／ｓである必要があった。
【００４４】
ＰＤＭ２００の範囲試験結果によって、ＰＭＤ２００の検討された実施形態では、２１℃の室温にて、９Ｌタンク一つを用いると平均１２６７ｍ移動でき、９Ｌタンク２つ（全部で１８Ｌ）を用いると平均２７６２ｍ移動でき、９Ｌタンク二つ及び膨張室としての１．４４Ｌタンク（計１９．４４Ｌ）を用いると平均３１５０ｍ移動できることが明らかになった。傾斜を登る試験結果では、ＰＭＤ２００が、デバイス１００’から決定された最良のコンポーネント構成を使用時に、両方のシナリオをパスすることを示した。追加的な試みが、歯車比を１：１．４に増加させた後になされたが、ＰＭＤ２００は、いずれの傾斜試験条件もパスすることができなかった。その結果、ＰＭＤ２００の試作型歯車比は、１：１．２に設定された。
【００４５】
本明細書における空気圧駆動システムを含む別の実施形態のＰＭＤ５００が、図５に示されている。ＰＭＤ５００には、二つの空気圧ラジアルピストンモーター５４０を含む空気圧駆動システムが含まれていた。各モーター５４０（一つのモーター５４０だけが図５の図において視認可能）は、ＰＭＤ５００の後輪５１０の一つに直接作動的に接続されて配置された。ＰＭＤ５００の空気圧駆動システムは、チューブ５７０を介してモーター５４０及び一つ以上の加圧ガスタンク（図示されていない）に作動的に接続された制御部としての受動型リニア空気圧ジョイスティック５６０をさらに含んでいてもよい。図５の実施形態では、空気圧駆動システムが、単純な手動車椅子に装着された（又は改造された）。単純な椅子は、多くのＰＭＤユーザにとって適切な椅子ではないかもしれないが、ここでの空気圧駆動システムを示すための非常に低コストのモデルを提供し、空気圧駆動システムを含むように手動車椅子の改造を説明する。一つの試験された実施形態では、モーター５４０及びジョイスティック５６０を備えて構成されたときの車椅子５００の質量は、２０ｋｇであった。示された構成は、高圧空気貯蔵タンクを含んでいない。二つの４０Ｗのラジアルピストン空気モーターの場合、試験車椅子は、１５ｋｍ駆動するのに７０００Ｌの空気を消費した。その消費量において、該椅子は、３１ＭＰａ（３１０ｂａｒ又は４５００ｐｓｉ）に圧縮された空気が充填された２．０Ｌボトルで１．３ｋｍを移動することができることとなる。
【００４６】
図６Ａ〜図６Ｃは、本発明のＰＭＤ６００の一実施形態を示し、ＰＭＤ６００は、例えば、手動動力が空気駆動システムによって増強されたプッシュリム作動型動力アシスト車椅子（ＰＡＰ  ＡＷ）であってもよい。車椅子６００は、プッシュリム又はハンドリム６１２を備えた後輪６１０を含み、それによって手動動力の適用を容易にする。ロータリーピストン空気圧モーターのような空気圧モーター６４０が、各車輪６１０に直接接続されて提供される。示された実施形態では、空気圧モーター６４０及び高圧ガス貯蔵タンク６６０が、動力アシスト搭載部６９０に作動的に搭載されており、動力アシスト搭載部６９０は、車椅子６００の車輪６１０に作動的に接続されて配置され得る。プッシュリム又はハンドリム作動制御バルブシステム６８０が、図６Ｃにおいて模式的に示されており、プッシュリム又はハンドリム作動制御バルブシステム６８０は、各空気圧モーターに作動的に接続されている。バルブシステム６８０は、プッシュリム５１２（又は車輪６１０）の推進によってトリガーされてもよく、駆動される地形（例えば、傾斜）の変化によってトリガーされてもよい。バルブシステム６８０は、例えば、倒立振子システムのような加速度感度システムによって制御されてもよい。ユーザが前方に加速するためにプッシュリム６１２に力を適用する際、このような倒立振子が後方に動くこととなり、それによってバルブシステム６８０を正のトルクアシストに切り替える。ユーザがプッシュリム６１２を握って減速又は停止する際、倒立振子は後方に動くこととなり、例えば、それによってブレーキをアシストするためにバルブシステム６８０を負のトルクに切り替える。一定速度、又は、大きな正の加速若しくは負の加速がない場合、倒立振子は中央のニュートラル領域に留まることとなり、この条件の間（すなわち、動力供給アシストが必要とされないとき）は、バルブシステム６８０が閉じられる。傾斜上にあるときは、バルブシステム６８０は、傾斜を進むための正のアシスト又は傾斜を下るための負のアシストに自動的に切り替わってもよい。提供されるアシストのレベルは、空気タンク６６０のバルブを使用した空気流によって調節されてもよい。動力アシスト車椅子は、腕による推進と動力化との間の橋渡しを提供する。動力アシストは、健康を促進又は維持させることができ且つ移動性を改善させることができる有用であり且つ医学的に必要とされる代替物を提供する。
【００４７】
図７Ａ〜図７Ｃは、本発明におけるＰＭＤ７００の別の実施形態を示し、ＰＭＤ７００は、プールやウォーターパークのような濡れた環境での使用のために開発された。ＰＭＤ７００は、上側フレーム部７１０ａ及び下側フレーム部７１０ｂを含む。上側フレーム部７１０ａはシート７１４への支持を提供し、下側フレーム部７１０ｂは格納モジュール７２０への支持を提供する。格納モジュール７２０は、上側区画７２０ａ及び下側区画７２０ｂを含み、上側区画７２０ａ及び下側区画７２０ｂは、前述のような加圧タンク４１０ａ、４１０ｂ及び４１０ｃ並びに複数の空気圧モーター７４０及びＰＭＤ７００の他のコンポーネントを囲んでいる。上述の全機能において同様の制御システムが、例示として、提供されてもよい。ステンレススチールのハードウェアが、例えば、耐水性を付与するために使用されてもよい。空気圧モーター７４０は、例えば、ベルト及び滑車システムを介して後方駆動輪７０８に結合されてもよく、該滑車システムは、モーター７４０の出力軸又は駆動軸及びベルト７６２に作動的に接続された滑車７６０を含み、ベルト７６２は、後方駆動輪７０８の軸に作動的に接続された別の滑車に作動的に接続されている。ベルト及び滑車システムは、このようなシステムが潤滑剤を必要としないため、例えば、湿潤環境において好まれ得る。
【００４８】
本発明におけるＰＭＤの設計及び試験は、完全な動力モビリティデバイス及び動力アシストモビリティデバイスの両方において、空気圧技術が、電動モビリティデバイスの実行可能な代替物であることを説明する。空気圧技術の利点が、多くの電気ＰＭＤで経験された長年の主な課題を解決し、デバイスの全体的な生涯コストを低減し得る。メディケイド及びメディケアの交換ガイドラインに基づくと、ＰＭＤは、少なくとも５年の寿命を有することが期待されている。電気ＰＭＤについての主な課題又は問題は、修理が必要とされる頻度である。動力車椅子ユーザを含む調査を行ったある研究によると、２３９人の動力車椅子の参加者のうち６５．６％（１５７／２３９）が、該研究の参加前に、少なくとも６月の期間内に１回の修理が必要であったことがわかった。該研究では、６５．６％のうち４９．０％（７７／１５７）が、１回を超える不利益な事象を経験し、関係者の２４．２％（７７／１５７）は立ち往生した。該研究によってさらに、動力車椅子の最も頻繁な修理は、電気、動力及び制御システムに関するものであることがわかった。これらのシステムに保全が必要とされる場合、該修理は、典型的には、モビリティデバイスの供給元によって行われ、長期にわたるプロセスの可能性がある。動力の課題を経験させる電気ＰＭＤとは異なり、空気圧動力ＰＭＤの多くのコンポーネントは、広く入手可能で安価であり、技術がある者であれば修理可能である。さらに、このようなコンポーネントは、ほとんど保全なしで複数年間使用できるように設計されている。これらの特性は、長期間ユーザからＰＭＤを使用できない可能性を低減する。
【００４９】
空気圧システムを使用する際の懸念には、騒音及び安全性が含まれる。空気圧システムの騒音は、空気が空気圧モーターの外に排気された際に発生する。典型的な空気圧モーターは、平均７７ｄＢの騒音レベルを有する。これらのレベルは、速度によって増加し、負荷がないときに最大になる。本発明における多数のデバイスに使用されるＢＩＢＵＳ製空気圧ラジアルピストンモーターは、約６０ｄＢの騒音レベルを有する。この騒音レベルは、５８ｄＢにて作動する一組の電動車椅子の騒音レベルと同様である。これらのレベルは、マフラーシステムのような騒音低減システムを付加することでさらに低減され得る。安全性の観点から、空気圧コンポーネントは、有害な材料を使用せず、且つ、磁気干渉を発生させないことによって防爆及び機械安全要求の両方を満たす。
【００５０】
本発明における高圧空気又はＨＰＡ  ＰＭＤは、例えば３１ＭＰａ（３１０ｂａｒ又は４５００ｐｓｉ）の圧力まで複数のタンクを充填可能である空気コンプレッサーを介して「充填」（空気タンクが満たされ）され得る。好ましくは、本明細書におけるＰＭＤのタンクは、少なくとも１７．２ＭＰａ（１７２ｂａｒ又は２５００ｐｓｉ）まで充填される。コンプレッサーは、気体輸送技術において知られるようなクイックディスコネクト接続を介して、電気ＰＭＤが充電のためにコンセントに接続する方法と同様に、ＰＭＤに結合され得る。本発明におけるＰＭＤを完全に充填するために必要な時間の長さは、充填の方法による。第１の方法は、「充填ステーション」を持つことであり、「充填ステーション」は、貯蔵タンクの圧力を例えば３１ＭＰａに定常的に維持するコンプレッサーに作動的に接続された大きな貯蔵タンクを含む。この方法では、タンクの充填は、貯蔵タンクにＰＭＤを接続し、貯蔵タンクからＰＭＤのタンクに空気が移動可能になるように結合バルブを開放するという単純なものである。この方法によると、タンクを空の状態から充填するのに１分未満しかかからない。第２の方法は、貯蔵タンクが無い以外は、第１の方法と同様である。ＰＭＤは、上述のように、コンプレッサーに直接接続されることとなる。この方法についての充填時間は、コンプレッサーの大きさに依存する。例えば、バージニア州ノーフォークのＢａｕｅｒ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ社から入手可能なＢａｕｅｒ  ＪＵＮＩＯＲ  ＩＩ（商標）コンプレッサーのような高圧コンプレッサーは、１００Ｌ／分の空気流量を有する。この流量では、三つのタンク全てを空から３１ＭＰａの圧力に完全に充填するのにおよそ９０〜１２０分かかる。第３の方法は、３１ＭＰａまで充填された一つの大きな又は多数の小さなタンクを持つことを含む。これらのタンクは、第１の方法において示された貯蔵タンクと同様に作動する。ＰＭＤは、充填のために（一つ以上の）タンクに単に接続され得る。（一つ以上の）貯蔵タンクを再充填するために、移動式空気コンプレッサーユニットが使用されてもよく、「ボトルサービス」が使用されてもよい（すなわち、空の（一つ以上の）タンクをピックアップし、充填されたタンクと交換するサービスである）。利用可能な充填物の数は、貯蔵タンクの大きさ及び数に依存することとなる。この方法の充填時間は、第１の方法と同様になるであろう（すなわち、１分未満）。
【００５１】
上述の三つの方法のうち、第２及び第３の方法は、小さい設置面積の結果、家の中で充填するのにより良く適している。より早い充填を必要とし、（例えば、より長い距離を移動する結果）一日を通して複数回の充填を要求するユーザにとっては、第３の方法が該ユーザのニーズに最も良く適しているかもしれない。しかしながら、一日の間に長い距離を移動せず、一日当たり一回しかＰＭＤを充填することが必要とならないユーザにとっては、第２の方法が、より適しているかもしれない。第２及び第３の方法とは異なり、第１の方法では、乗り物の給油ステーションに近いものを実行させる。第１の方法の充填ステーションは、短い時間で多くのデバイスを充填する能力を有する。第１の方法が有益であり得る場所には、例えば、空港、ショッピングモール、アミューズメントパーク、病院、介護施設などのような商業施設又は保健施設が含まれる。
【００５２】
ＰＭＤは、典型的には小さいホイールベースを有し、ドアを通り易くし、屋内操作し易くなっている。その結果、加圧ガスタンクの大きさは制限される。拡張された範囲を達成するために、消防士やスキューバーダイバーによって使用されているタンクと同様のＨＰＡタンクのような加圧ガスタンクが、大きさ及び安全記録のために使用されてもよい。ＨＰＡタンクは、３１ＭＰａに充填することが可能である。ローカルなホームセンターで典型的に見つけられるコンプレッサーでは、このような圧力に到達することができない。しかしながら、適用可能な高圧コンプレッサーは、例えば、ペイントボール用タンクを充填するスポーツ用品店、ダイブショップ及び消防署又は救命救急センターで通常入手可能である。ＨＰＡタンクを３１ＭＰａまで充填するために必要な仕様を満たす空気コンプレッサーは、典型的には、２５０ドル〜１５００ドルの価格であり、ほとんど保全せずに又は保全なしで１０年以上まで作動させることができる。ＨＰＡタンクは、５０ドル〜数百ドルの価格であり、タンク当たり約２０ドルの価格で、３〜５年毎に水圧試験及び再保証されることが必要である。
【００５３】
ＨＰＡタンクを３１ＭＰａまでの圧力に充填する際、消費電力対圧力は直線関係を有する。空気９Ｌのポテンシャルエネルギーは２０ＭＰａにおいて９５３．７ｋＪであり、３１ＭＰａにおいて１６００ｋＪである。Ｂａｕｅｒ  ＪＵＮＩＯＲ  ＩＩコンプレッサーを２．２ｋＷのモーターで使用すると、９Ｌのタンクを圧力２０ＭＰａに充填するためのエネルギー消費は、２３４０ｋＪで完了時間は１７．７５分（０．３時間）であり、タンクを３１ＭＰａまで充填するには３９６０ｋＪ及び完了時間は３０分（０．５時間）を要する。いずれかの圧力に充填する際におけるＢａｕｅｒ  ＪＵＮＩＯＲ  ＩＩコンプレッサーの結果として得られた効率は、約４１％である。電気ＰＭＤを充電する際のエネルギー消費は、３Ａにて作動する１２０Ｖ充電器を使用し最大充電時間である８時間を考慮すると、１０，３７０ｋＪと同じ高さになり得る。電気システム及び空気システムのエネルギー消費を比較すると、空気システムは、該システムを３０ＭＰａに充填する場合には２．２回より多く、３１ＭＰａに充填する場合には１．３回より多く充填され得る。
【００５４】
電池（３００ドル〜５５０ドル）の代わりに高圧空気（ＨＰＡ）タンクのような加圧液体タンク（約１００ドル〜１５０ドル）の使用によって、例えば６０％程度まで、ＰＭＤの全コストが低減され得る。追加的に、電気モーターと比較した空気モーターのコストが、さらにコスト低減される。電池に関する別の大きなコストは、それらが作動しなくなった際の電池の廃棄コストである。従来、電池駆動式の電動システムは、該システムが作動しなくなった際、慎重な環境への配慮も要求される。具体的には、電池は、環境への懸念があり得る。毎年の電気車椅子用電池の廃棄によって、コスト問題及び有害廃棄物問題の両方が提示される。一方で、空気システムは、廃棄時において、環境への影響を低減し、環境への脅威を引き起こすことはない。空気圧タンクは、ＰＭＤの寿命を通して充填され得る。
【００５５】
空気システムは、電池／電気動力システムと比較して、より頻度の少ない保全要求を提供する。上述のように、従来の電気駆動システムに使用されている電池は、充電サイクル数が限られている。さらに、このようなシステムは、電池にとって最適な充電／使用特性を維持するために、電池の放電と充電とのルーチンを要求する。しかしながら、空気圧システムは、回数制限なしに排出し充填され得る。繰り返しになるが、電池とは異なり、タンクの頻繁な交換は必要とされない。実際、タンクの寿命は、おそらく、ＰＭＤの寿命を超えることとなる。
【００５６】
圧縮空気又はその他のガスによって動力が供給されるＰＭＤの範囲は、ＰＭＤに格納されたガスの圧力、体積及び温度に基づく。空気の体積は、空気タンク内の圧力を高めること、（例えば、膨張室を通じて）温度を上昇させること又はタンクの大きさを大きくすることのいずれかによって、増加させることができる。潜在的には、（例えば、ＰＭＤのシートに組み込まれている）膨張室又はガスラインが、ガスが加熱されて範囲を増加させる間、人の体温を下げるために使用されてもよい。皮膚温をより低下させることで、例えば、褥瘡のリスクを軽減し得る。
【００５７】
平均的な電気ＰＭＤ用電池は、６月から１年使用できる。電池寿命は、種々の要因に基づき、該要因には、電池の大きさ／型、充電頻度、１日の放電レベル及び１日の使用量が含まれる。電気ＰＭＤの移動範囲は、通過する地形及び運転者の癖に基づいて変化し得る。上り傾斜を登る移動及び高速での移動は、ＰＭＤの範囲を減少させる傾向がある。そのため、電動ＰＭＤの電池の大部分は、該デバイスの期待される寿命にわたって、最少で５回から６回の交換が必要とされることとなる。電池交換のコストは、ＰＭＤのタイプに依存して、必要になる交換回数毎に１００ドル〜５００ドルに及び得る。このように、空気圧技術は、バッテリーの交換を考慮するだけで、約５００ドル〜２５００ドルの節約になる。
【００５８】
空気圧システムは、迅速でほとんど制限のない充填、より軽量、より低作動コスト及びより環境への影響が小さいことを提供する可能性を有する。軽量、携帯式ＨＰＡタンクの入手可能性の向上につれて、空気圧駆動システムは、個人の自立及び移動性を向上させ且つ健康管理及び制度上のコストを低下させ得る。加えて、ロータリーピストン空気圧モーターのような効率的な空気圧モーターは、ＰＭＤのための、電動との実用的な代替物としての高圧ガスの実用性を向上させる。
【００５９】
空気圧システムは、泥、熱及び湿気のような環境危険に対する耐久力のために、ＰＭＤにおける使用に良く適合もする。空気圧システムが電動システムよりも明確な利点を有する環境には、水又は湿気の存在する環境及び火災／爆発リスクがある環境（例えば、酸素リッチな環境）が含まれる。電池供給駆動システムとは異なり、空気駆動システムには、火災のリスク、電気ショック又は電磁両立性の問題がない。空気システム及び圧縮ガスシステムは、ほとんど保全を要せず、困難なく水、雪、湿気を通って駆動され得る。多くの車椅子が、ほとんど予防保全を受けることなく又は予防保全を受けないので、堅牢に作動する特性は非常に望ましい。空気圧動力ＰＭＤは、ビーチ上、アミューズメント／ウォーターパークの中及びＰＭＤが極めて湿潤な環境に曝され得るその他のエリアにおいて、一人で移動するための手段を提供する可能性がある。さらに、高い相対湿度の環境では、空気圧動力ＰＭＤは、電動ＰＭＤよりも優れた信頼性及び耐用年数を有することとなる。このような環境での耐久性は、田舎の地域又はほとんど供給源がない地域において、動力モビリティに重要な貢献をし得る。空気圧駆動ＰＭＤは、ＰＭＤの信頼性及び利用可能性を向上させることによって、地域の統合をサポートすることができ、（例えば、電動ＰＭＤよりも軽量の空気圧動力ＰＭＤがある結果として）改善された移動可能性を通して日常生活における多くの活動への参加を促進することができる。
【００６０】
比較的軽量の空気圧動力ＰＭＤは、自動車及び他の移動システムにおける移動の懸念を和らげる。移動の懸念は、電動モビリティデバイスにとって重大な課題である。さらに、圧縮ガス／空気が、飛行／移動中に排出され、到着時に充填され、それによって飛行のための電池の除去及び梱包の必要性が排除されるため、飛行機での旅行や他の旅行がより簡単になり得る。
【００６１】
空気圧駆動システムは、田舎の地域、発展途上国及び他の供給源に限りのある地域における利点をさらに提供してもよい。繰り返すが、圧縮空気のような圧縮ガスには、例えば、コンプレッサー及び貯蔵タンクが必要となるだけである。電動システムとは異なり、正規の及び信頼性のある電気の供給源は必要とされない。インフラ又は資源が乏しい地域では、信頼性のあるクリーンな電力供給源の配置が、課題となっていることが多い。圧縮ガスは、例えば、電力が安価及び／又は入手可能である時の間に蓄えることができる。さらに、ガソリン、ディーゼル、ソーラー及び水駆動式コンプレッサーが、圧縮ガス／空気を生成するために使用され得る。空気圧駆動システムに関する迅速な充填速度のために、地域（例えば、辺ぴな村）は、一つの空気圧ステーション又は圧縮ガス格納ステーションを有すればよい。
【００６２】
空気圧駆動システムは、電動システムよりもよりインフラとの親和性もある。例えば、複数の電動モビリティデバイスの車両群（フリート、fleet）における場合、複数の壁コンセントが必要となり、充電器の使用に伴うかなりの摩減を被り得る。空気圧システムは、例えば、（複数の充電器の代わりに）一つのコンプレッサー及び高圧貯蔵タンクを必要とするのみである。圧縮ガス／空気用のハードウェアは、住居及び小売店の電気コンセント構造より堅牢である。一つのコンセントがコンプレッサーに必要となるのみで、プラグが頻繁に取り外される必要はないこととなる。
【００６３】
さらに、ＰＭＤの車両群における空気圧駆動システムの使用（例えば、ストア／モール複合施設、空港又は公園での使用のように）は、該車両群に要する車両の数を低減させることができ、それによって格納空間、保全コスト及び大規模な車両群の維持に関連する他のコスト／要求を低減させる。これに関して、電池供給車両群には５〜８時間の充電時間が伴うことが多く、大部分の電池供給車両群（例えば、５０％）は使用できなくなり得る。このように、空気圧駆動システムの迅速な充填時間によって、車両群において必要とされる多数の車両を大幅に低減させることができる。
【００６４】
空気圧動力及び電動は、ＰＭＤにおいて容易に結合され得、それによって各システムにおける長所が採用される。例えば、一つは、空気圧駆動ＰＭＤに（制限ある電池エネルギーを介した）電力を含んでいてもよく、それによってパワーシート機能が追加され、コンピュータ制御が組み込まれ、又は、より複雑なユーザインターフェースが付与される。
【００６５】
空気圧モーターは、本質的に低速度にて高トルクを提供し、必然的に扱い易くなる。ＰＭＤの駆動は、低速度でありスタート／ストップの駆動タスクが頻繁になる。このように、ＰＭＤは、空気／圧縮ガス駆動システムに良く適合する。さらに、車椅子ユーザは、屋内及び人々の近くで駆動させなければならない。このことは、多くの場合、目的ある接触（例えば、ドアを開けること）又は不用意な接触（例えば、壁に当たること）を生じる。空気圧駆動システムは、必然的に法令遵守となり、人々、周囲の環境及びモビリティデバイスへの危害リスクを低減させる。
【００６６】
本明細書における多数の代表例に示すように、空気圧駆動システムは、電気／電動ＰＭＤ及び手動車椅子に、容易に組み込まれ又は改造され得る（例えば、手動車椅子のアーム動力の増強又は置き換え）。空気圧駆動システムは、手動車椅子ユーザにとって重量が重要となるような場合の用途において良く適合する。さらに、推進力は、中程度の動力及び低動力であってもよい。圧縮ガスシステム固有の扱い易さが、人と空気圧モーターとの結合にも役立ち得る。
【００６７】
このように、ＰＭＤに接続された空気圧駆動システムは、多くの観点において、電池作動式駆動システムよりも優れている。繰り返すが、空気圧駆動システムは、迅速でほとんど制限のない充填、より軽量、より低コスト及び環境への影響がより小さいことを提供する可能性を有する。さらに、空気圧駆動システムは、個人の自立及び移動性を高め得る。空気圧駆動システムを備えるＰＭＤは、動力モビリティに革命を起こし、今日使用されている多くのスクーター及び電動車椅子、特にスクーター及びMedicare coded Group 1の電動車椅子に取って代わる可能性を有する。
【００６８】
安価で、小さく、低速、高トルクで、効率的なロータリー空気圧モーターのような空気圧モーターは、ＰＭＤでの使用に容易に採用される。例えば、最新のラジアルピストンガスモーター（例えば、Ｂｉｂｕｓ社及びドイツ、アンベルクのＤｅｐｒａｇ  Ｓｃｈｕｌｚ社から入手可能）は、ガス圧力をトルクに変換し、低速、高トルク駆動である。空気圧は、電動モーターを越える顕著な利点を有し、このような利点は、以下に限定されないが、良好な扱い易さ、重量に対する高トルク、体積に対する高トルク、最初のサイクリングの低慣性、安全な放熱、耐衝撃及び防爆、保全の容易さ、耐過負荷及び耐連続的な失速、並びに、多種多様な変速方法を含む。上述のように、空気圧は、泥、熱、水及び湿気のような環境による障害に対する耐久性もある。さらに、本明細書におけるＰＭＤへの使用に適合する小さな高圧ガスシリンダ（例えば、ＣＣ及び空気）は、多種多様な供給元から容易に入手可能である。
【００６９】
前述の詳細な説明及び添付図面が、この時点で多数の代表的な実施形態を明らかにしている。もちろん、種々の修正物、追加物及び代替物の設計が、本明細書の範囲から逸脱することなく前述の技術の観点から当業者にとって明らかとなり、本明細書の範囲は、前述の詳細な説明よりもむしろ以下の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲における意味及び等価物の範囲内に入る全ての変更物及びバリエーションが、その範囲内に包含される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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